スターリングエンジンを題材とした創成型機械工学教育手法の実践

• Project/Area Number: 23910033
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 教育工学
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 濱名 芳晴 東京大学, 大学院・工学系研究科, 技術専門職員
• Project Period (FY): 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2011: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: スターリングエンジン / 創成型教育手法 / PBL

Research Abstract

従来から行われている座学中心の講義や補完するための実験・演習(系統的学習)では体系的に創造性を養うことは非常に困難である。一方、創造性を養うことが出来ると期待されている問題解決型授業(PBL)では、単に問題を解決することにとどまり基礎基盤知識の習得が十分に行えない問題点がある。そこで、両者の問題点を考慮した「創成型機械工学教育手法」を提案し、固体高分子形燃料電池を用いた創成型機械工学実験に適応し非常に有効であることを示した。しかし、本実験では水素やメタノールなどの危険物、有害物質を用いるため実施にあたりリスクを生じてしまう。そこで、より有効的で安全な創成型機械工学実験を設計する必要がある。そこで、本研究はスターリングエンジンを題材として、創成型機械工学手法を適用し新たな創成型教育指導手法の指針を得ることが目的である。
まず初めに、市販されているスターリングエンジン模型を対象として、性能試験システムの構築を行った。動力の測定手法として、吸収式、反動式、伝達式など様々な測定方法に関して検討を行った。模型用スターリングエンジンの出力は非常に小さいため、負荷との間のトルク検出器によりトルク及び軸の回転数を測定して出力を算出する方法を採用し発電機を負荷とした。また、創成型教育指導手法において、創造性や教育効果を高える事が期待できるGUIによる計測システムを構築した結果、本研究の目的である有効的で安全な創成型機械工学実験を設計出来る実験計測システムを作成した。
続いて、体型的に創造性を養うために、「太陽光熱を熱源としたスターリングエンジンの設計製作」というPBL課題の設計に関して検討を行った。この課題は、環境エネルギー問題を題材とし実施者の興味を引き、学習意欲の向上することを狙いとしている。太陽光熱を用いる事により低温度差で動作する必要があり伝熱に関する知識、さらに低出力のため機械力学やトライポロジー、さらにディスプレーサーの軽量化のために材料の選定など、機械工学の基礎基盤知識が必要になってくる。そこで、創成型機械工学手法を適用してこれらを有機的に結びつけた実験課題と指導要領、教材及びテキストの作成を行った。その結果、創成型教育指導手法の指針として、興味を引く現象(環境エネルギー問題)を題材とし、それを解決する教材(スターリングエンジン)、必要な基礎基盤知識の抽出(四力学)、ものづくり(設計製作)、現象を正確に捉える装置(GUIによるシステム)を示した。